2.4 Технологические расчеты
Исходные данные для расчета установки ЛГК вакуумного газойля приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Исходные данные для расчета.
Показатели |
Единицы измерения |
Величина показателя |
Годовая производительность Рабочее давление на входе в реактор Температура на входе в реактор Кратность циркуляции ВСГ, не менее Концентрация водорода в СВСГ Объемная скорость подачи сырья Расход водорода Продолжительность работы установки за год Тип катализатора |
тыс. т/год МПа 0С Нм3/м3 сырья % об. Ч-1 % мас.
сут.
|
1250 7,5 410 1000 84 0,9 1,0
335 DN-200 |
2.4.1 Материальный баланс установки и реактора
Объемную часовую производительность определяем по формуле
,
где Wc - объемная часовая производительность, м3/ч;
Gгод - годовая производительность установки, кг;
Gгод =1250 тыс.т/год
nц - число сырьевых циклов в год;
τр - продолжительность работы установки, сут.;
τр = 335 сут.;
с
- плотность сырья, кг/м3;
с = 0,900 кг/м3
Число циклов реакции зависит от продолжительности сырьевого цикла ( τр), затрат времени на регенерацию (τpег) и смену катализатора (τсм), на капитальный ремонт установки (τpем) определяем по формуле
nц=
;
nц=
Wc=
м3/ч
Массовую часовую производительность установки рассчитываем по формуле
Gc=Wcpc
Gc=172,7 · 900 = 155430 кг/ч
Состав свежего водородсодержащего газа (СВСГ) представлен в табл.2.4.
Таблица 2.4
Состав СВСГ.
Компоненты |
yi |
Mi |
yiMi |
|
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-C4H10 С5Н12 |
0,840 0,077 0,046 0,025 0,008 0,003 0,001 |
2 16 30 44 58 58 72 |
1,6 1,2 1,4 1,1 0,5 0,2 0,1 |
0,262 0,201 0,230 0,180 0,082 0,033 0,012 |
Итого |
1,000 |
- |
6,1 |
1,000 |
Определение расхода водорода на промышленных установках складывается из расхода на реакцию, отдув циркулирующий водородсодержащих газов (ЦВСГ) для поддержания необходимой концентрации и расхода на растворение. Расход водорода на процесс легкого гидрокрекинга принимаем равным 1% мас. на сырье.
Массовый расход водорода определяем по формуле
где
- массовый расход водорода, кг/ч;
- расход водорода,
% мас.
Gн2=
кг/ч
Массовый расход СВСГ определяем по формуле
где GСВСГ - массовый расход СВСГ, кг/ч;
- массовая
концентрация водорода в СВСГ;
= 0,262 (см.табл.2.4).
кг/ч
Расход СВСГ в расчете на сырье (ССВСГ) определяем из соотношения
мас.
Состав ЦВСГ представлен в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Состав ЦВСГ.
Компоненты |
|
|
|
|
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-C4H10 C5H12 Н 2S |
0,810 0,113 0,049 0,019 0,004 0,003 0,001 0,001 |
2 16 30 44 58 58 72 34 |
1,6 1,8 1,5 0,8 0,2 0,2 0,1 0,0 |
0,260 0,290 0,236 0,135 0,037 0,027 0,011 0,004 |
Итого |
1,000 |
- |
6,2 |
1,000 |
При заданной производительности установки по сырью объем ЦВСГ определяем по формуле [1]
Vцвсг=WcKц,
где Кц – кратность циркуляции ВСГ, нм3/м3 сырья.
Кц =1000 нм3/м3 сырья
Vцвсг=172,7 · 1000=172700 нм3/час
Массовый расход ЦВСГ рассчитываем по формуле
Gцвсг=
где Gцвсг - массовый расход ЦВСГ,кг/ч;
МЦВСГ - молекулярная масса ЦВСГ;
МЦВСГ = 6.2 кг/кмоль (см.табл.2.5);
Gцвсг=
кг/ч
Расход ЦВСГ в расчете на сырье:
Сцвсг=
Определяем расход ЦВСГ в расчете на сырье (СЦВСГ)
Сцвсг=
мас.
Выход сероводорода при легком гидрокрекинге зависит от содержания серы в сырье и продуктах реакции.
Выход сероводорода в расчете на сырье определяем по формуле [1]
Сн2s=
где Сн2s – выход сероводорода, % мас. на сырье;
Sо – содержание серы в исходном сырье, % мас.; Sо=1,8 % мас.
Si – содержание серы в конечных продуктах, % мас.;
Sд – содержание серы в дизельном топливе, % мас.; Sд=0,035 % мас.;
Sго – содержание серы в гидроочищенном остатке, % мас.;
Sго=0,15 % мас.;
Sбо – содержание серы в бензин-отгоне, % мас.; Sбо=0,01 % мас.;
Хд – выход дизельного топлива, в долях от единицы; Хд=0,19;
Хго – выход гидроочищенного остатка, в долях от единицы;
Хго=0,70;
Хбо – выход бензин-отгона, в долях от единицы; Хбо=0,042;
34 – молярная масса сероводорода.
Сн2s=
Материальный баланс установки легкого вакуумного газойля представлен в табл. 2.6
Таблица 2.6
Материальный баланс установки.
Статьи баланса |
% мас. |
Расход |
||
кг/ч |
т/сут |
тыс.т/г |
||
Взято: Сырье СВСГ в том числе: -водород |
100 3,8
(1,0) |
155430 5931
(1554) |
3731 141,8
(37,3) |
1250 47,5
(12,5) |
Итого |
103,8 |
161361 |
3872,8 |
1297,5 |
Получено: Гидроочищенный остаток Гидроочищенное дизельное топливо Бензин-отгон Углеводородные газы Сероводород Потери |
70,0
19,0 4,2 7,8 1,8 1,0 |
108818
29536 6529 12126 2798 1554 |
2611,7
708,9 156,7 291 67,2 37,3 |
875
237,5 52,5 97,5 22,5 12,5 |
Итого |
103,8 |
161361 |
3872,8 |
1297,5 |
Материальный баланс реактора представлен в табл. 2.7. Объем реакционной зоны в каталитических процессах со стационарным слоем катализатора определяем по формуле
Vрз=
,
где Vрз – объем реакционной зоны, м3;
Vо – объемная скорость подачи сырья, ч-1; Vо=0,9 ч-1;
Wс – производительность установки, м3/ч.
Vрз=
м3
Общую высоту слоя катализатора – высоту реакционной зоны определяем по формуле:
Нрз=
где d2р.з. – диаметр слоя катализатора в реакторе, м;
Таблица 2.7
Материальный баланс реактора.
Статьи баланса |
% мас. |
Расход |
||
кг/ч |
т/сут |
тыс.т/сут |
||
Взято: Сырье ЦВСГ СВСГ |
100 30,7 3,8 |
155430 47801 5931 |
3731 1145,4 141,8 |
1250 383,7 47,5 |
Итого |
134,5 |
209162 |
5018,2 |
1681,2 |
Получено: Гидроочищенный остаток Гидроочищенное дизельное топливо Бензин-отгон Углеводородные газы Сероводород ЦВСГ |
70,7
19,2 4,2
7,9 1,8 30,7 |
109946
29858 6532
12285 2799 47742 |
2637,8
716,4 156,7
294,7 67,2 1145,4 |
883,7
240,1 52,5
98,7 22,5 383,7 |
Итого |
134,5 |
209162 |
5018,2 |
1681,2 |
Принимаем диаметр слоя катализатора в реакторе равным 3,6 м.
Нрз=
м
2.4.2 Технологический расчет реактора
При составлении теплового баланса реакторов необходимо учитывать влияние давления на энтальпии газов и паров ГСС и ГПС.
Состав углеводородных газов представлен в таблице 2.8
Таблица 2.8
Состав углеводородных газов.
Компоненты |
|
|
|
|
СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-C4H10 |
0,471 0,201 0,171 0,078 0,078 |
16 30 44 58 58 |
7,6 6,0 7,6 4,5 4,5 |
0,25 0,20 0,25 0,15 0,15 |
Итого |
1,000 |
- |
30,2 |
1,000 |
Перед определением состава паровой и жидкой фаз определяем состав ГСС по отдельным компонентам на входе в реактор и ГПС на выходе из него (табл.2.9, 2.10).
Определение состава паровой и жидкой фаз ГСС в условиях однократного испарения на входе в реактор представлен в табл. 2.11.
Находим молярную массу сырья по формуле Крега [2]
Мс=
где
Мс=
кг/кмоль
Доля отгона е=0,9437
Количество кмоль ГСС в жидкой фазе находим по формуле
nж=(1-e)
·
Ni
nж=(1- 0,9437) · 9099,1 = 512,3 кмоль/ч
Таблица 2.9
Состав ГСС на входе в реактор
Компоненты |
Кг/ч |
Н2 |
Н 2S |
СН4 |
С2Н6
|
С3Н8 |
изо-С4Н10 |
н-C4H10 |
C5H12
|
Сырье |
Сырье ЦВСГ СВСГ |
155430 47801 5931 |
- 12428 1554 |
- 191 71 |
- 13862 1192 |
- 11281 1364 |
- 6453 1068 |
- 1768 486 |
- 1291 196 |
- 526 119 |
155430 - - |
Итого |
209162 |
13982 |
262 |
15054 |
12645 |
7521 |
2254 |
1487 |
645 |
155430 |
Таблица 2.10
Состав ГПС на выходе из реактора
Компоненты |
Кг/ч |
Н2
|
Н 2S
|
СН4
|
С2Н6
|
С3Н8
|
изо-С4Н10
|
н-C4H10
|
C5H12
|
Бензин |
Дизель-ное топливо |
Гидроочищенный остаток |
Гидроочищенный остаток Дизельное топливо Бензин Углеводородные газы Сероводород ЦВСГ |
109946
29858 6532
12285 2799 47742 |
-
- -
614 - 12413 |
-
- -
- 2799 191 |
-
- -
1843 - 13845 |
-
- -
2457 - 11267 |
-
- -
3071 - 6445 |
-
- -
2457 - 1766 |
-
- -
1843 - 1289 |
-
- -
- - 526 |
-
- 6532
- - - |
-
29858 -
- - - |
109946
- -
- - -
|
Итого |
209162 |
13027 |
2990 |
15688 |
13724 |
9516 |
4223 |
3132 |
526 |
6532 |
29858 |
109946 |
Таблица 2.11
Состав фаз на входе в реактор при давлении 7,5МПа и температуре 4100С.
Компо-ненты |
Кг/ч |
|
ni |
αi= |
К |
|
|
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-C4H10 C5H12 Н 2S Сырье |
13982 15054 12645 7521 2254 1487 645 262 155430 |
2 16 30 44 58 58 72 34 315 |
6991 941 421,5 170,9 39 25,6 9 7,7 493,4 |
0,7683 0,1034 0,0463 0,0188 0,0043 0,0028 0,0011 0,0008 0,0542 |
10 4,0 2,8 2,2 1,8 1,6 1,2 2,5 0,007 |
0,080931 0,026990 0,017157 0,008816 0,002450 0,001788 0,000925 0,000331 0,861522 |
0,809312 0,107959 0,048039 0,019396 0,004410 0,002860 0,001110 0,000828 0,006031 |
Итого |
209162 |
- |
9099,1 |
1,0000 |
- |
1,0000 |
1,000 |
Количество кмоль ГСС сырья в паровой фазе
nп = 9099,1· 0,9437=8586,8 кмоль/ч
Определение агрегатного состояния на выходе из реактора.
Молярная масса бензина-отгона:
Мбо=
кг/кмоль
Молярная масса гидроочищенного дизельного топлива:
Мдт=
кг/кмоль
Молярная масса гидроочищенного остатка:
Мго=
кг/кмоль
Таблица 2.12
Материальный баланс однократного испарения ГСС на входе в реактор при давлении 7,5МПа и температуре 4100С (е=0,9437)
Компоненты |
Приход |
Расход |
||||||||||
Парожидкостная смесь |
Паровая фаза |
Жидкая фаза |
||||||||||
кг/ч |
массовая доля |
моль/ч |
мольная доля |
кг/ч |
массовая доля |
моль/ч |
мольная доля |
кг/ч |
массовая доля |
моль/ч |
мольная доля |
|
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-С4Н10 С5Н12 Н 2S Сырье |
13982 15054 12645 7521 2254 1487 645 262 155430 |
0,0667 0,0719 0,0604 0,0359 0,0108 0,0071 0,0031 0,0012 0,7429 |
6991 941 421,5 170,9 39 25,6 9 7,7 493,4 |
0,7683 0,1034 0,0463 0,0188 0,0043 0,0028 0,0011 0,0008 0,0542 |
13901 14824 12390 7330 2192 1392 745 235 16223 |
0,2007 0,2141 0,1789 0,1059 0,0317 0,0201 0,0107 0,0034 0,2345 |
6950,2 926,5 413 166,6 37,8 24 10,3 6,9 51,5 |
0,8094 0,1079 0,0481 0,0194 0,0044 0,0028 0,0012 0,0008 0,0060 |
82 219 264 194 59 52 36 4 139011 |
0,0006 0,0016 0,0018 0,0014 0,0004 0,0004 0,0003 0,0000 0,9935 |
41,4 13,7 8,8 4,4 1,2 0,9 0,5 0,1 441,3 |
0,0808 0,0267 0,0171 0,0086 0,0024 0,0017 0,0009 0,0003 0,8615 |
Итого |
209162 |
1,0000 |
9099,1 |
1,0000 |
69231 |
1,0000 |
8586,8 |
1,0000 |
139921 |
1,0000 |
512,3 |
1,0000 |
Определение состава паровой и жидкой фаз ГПС в условиях однократного испарения на выходе из реактора представлен в табл. 2.13
Таблица 2.13
Состав фаз на выходе из реактора.
Компоненты |
кг/ч |
|
Ni |
Yi= |
Кi |
|
|
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-C4H10 C5H12 Н 2S Гидроочищенный остаток Гидроочищенное дизель-ное топливо Бензин-отгон |
13027 15688 13724 9516 4223 3132 526 2990
109946
29858 6532 |
2 16 30 44 58 58 72 34
258
232 102 |
6513,5 980,5 457,5 216,3 72,8 54 7,3 87,9
426,1
128,7 64 |
0,7230 0,1088 0,0508 0,0241 0,0081 0,0059 0,0008 0,0098
0,0473
0,0143 0,0071 |
10 4 2,8 2,2 1,8 1,6 1,2 2,5
0,007
0,1 0,6 |
0,0761 0,0283 0,0186 0,0113 0,0046 0,0036 0,0006 0,0040
0,7470
0,0945 0,0114 |
0,7619 0,1136 0,0527 0,0249 0,0083 0,0060 0,0008 0,0101
0,0052
0,0095 0,0069 |
Итого |
209162 |
- |
9008,6 |
1,0000 |
- |
1,0000 |
1,0000 |
Доля отгона е=0,9433
Количество кмоль ГПС в жидком виде находим по формуле
nж= (1-0,9433) · 9008,6 = 510,8 кмоль/ч
Количество кмоль сырья в паровой фазе
nп = 0,9433 · 9008,6 = 8497,8 кмоль/ч
Порядок расчета парциального давления указан в табл. 2.15, 2.16.
Так как, парциальное давление паров бензина и дизельного топлива меньше 0,5 МПа, то поправкой к их энтальпии в зависимости от давления пренебрегаем.
Таблица 2.14
Материальный баланс однократного испарения ГПС на выходе из реактора при давлении 7,0МПа и температуре 4300С (е=0,9433)
Компоненты |
Приход |
Расход |
||||||||||
Парожидкостная смесь |
Паровая фаза |
Жидкая фаза |
||||||||||
кг/ч |
массовая доля |
моль/ч |
мольная доля |
кг/ч |
массовая доля |
моль/ч |
мольная доля |
кг/ч |
массовая доля |
моль/ч |
мольная доля |
|
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 Изо-С4Н10 Н-С4Н10 С5Н12 Н 2S Гидроочищенный остаток Гидроочищенное дизель-ное топливо Бензин-отгон |
13027 15688 13724 9516 4223 3132 526 2990
109946
29858 6532 |
0,0623 0,0750 0,0656 0,0455 0,0202 0,0150 0,0025 0,0143
0,5256
0,1428 0,0312 |
6513,5 980,5 457,5 216,3 72,8 54 7,3 87,9
426,1
128,7 64 |
0,7230 0,1088 0,0508 0,0241 0,0081 0,0059 0,0008 0,0098
0,0473
0,0143 0,0071 |
12949 15446 13434 9310 4089 2952 489 2917
11404
18954 5977 |
0,1322 0,1577 0,1372 0,0951 0,0418 0,0301 0,0050 0,0298
0,1165
0,1936 0,0610 |
6474,5 965,4 447,8 211,6 70,5 50,9 6,8 85,8
44,2
81,7 58,6 |
0,7619 0,1136 0,0527 0,0249 0,0083 0,0060 0,0008 0,0101
0,0052
0,0095 0,0069 |
78 232 285 255 133 104 22 68
98453
11206 592 |
0,0007 0,0021 0,0026 0,0023 0,0012 0,0008 0,0002 0,0006
0,8836
0,1006 0,0053 |
38,9 14,5 9,5 5,8 2,3 1,8 0,3 2,0
381,6
48,3 5,8 |
0,0761 0,0283 0,0186 0,0113 0,0046 0,0036 0,0006 0,0040
0,7470
0,0945 0,0114 |
Итого |
209162 |
1,0000 |
9008,6 |
1,0000 |
97921 |
1,0000 |
8497,8 |
1,0000 |
111428 |
1,0000 |
510,8 |
1,0000 |
Таблица 2.15
Расчет парциального давления компонентов на входе в реактор
Компоненты |
Кг/ч |
Мi |
Ni |
Yi= |
Парциальное давление компонента yi*П,МПа |
Сырье СВСГ ЦВСГ |
16223 5931 47801 |
315 6,1 6,2 |
51,5 972,3 7709,8 |
0,0059 0,1113 0,8828 |
0,044 0,835 6,628 |
Итого |
69955 |
- |
8733,6 |
1,000 |
7,50 |
Таблица 2.16
Расчет парциального давления компонентов на выходе из реактора
Компоненты |
Кг/ч |
Мi |
Ni |
Yi= |
Парциальное давление компонента yi*П,МПа |
Гидроочищенный остаток Гидроочищенное дизельное топливо Бензин-отгон Углеводородные газы Сероводород ЦВСГ |
11404
18954 5977
12285 2799 47742 |
258
232 102
32,8 34 6,2 |
44,2
81,7 58,6
374,5 82,3 7700 |
0,0053
0,0097 0,0072
0,0448 0,0099 0,9231 |
0,0371
0,0679 0,0504
0,3136 0,0693 6,4617 |
Итого |
99161 |
- |
8341,3 |
1,000 |
7,0 |